El genoma animal más grande del mundo al descubierto

Hace entre 420 a 360 millones de años, en una zona poco profunda cerca de la orilla del agua, sucedió algo que cambiaría para siempre la vida en nuestro planeta: un pez de la clase de los peces de aletas lobuladas usaría su par de poderosas aletas pectorales para salir de las aguas poco profundas y llegar a tierra. Este animal podría respirar fácilmente, porque ya tendría pulmones.

Todos los vertebrados terrestres posteriores se remontan a estos peces. Esto abarca no solo anfibios, reptiles y aves, sino también mamíferos, incluidos los humanos. Sin embargo, lo que hasta ahora se desconocía era por qué este linaje estaba tan bien preparado para conquistar tierra firme.

Todos los vertebrados terrestres posteriores se remontan a estos peces. Esto abarca no solo anfibios, reptiles y aves, sino también mamíferos, incluidos los humanos

Para obtener más datos en esta dirección, un equipo científico, liderado por Axel Meyer, biólogo evolutivo y profesor de Zoología y Biología Evolutiva en la Universidad de Konstanz (Alemania), y el bioquímico de la Universidad de Würzburg (Alemania), Manfred Schartl, ha analizado el material genético de los parientes vivos más cercanos de nuestro ancestro devónico: el pez pulmonado.

En la actualidad, solo quedan tres linajes de estos ‘fósiles vivientes’: uno en África, otro en América del Sur y otro en Australia.

Un estudio genómico de gran complejidad

Los genomas de los peces pulmonados son más de un orden de magnitud mayores que la mayoría de los genomas animales secuenciados hasta ahora, incluso tienen el mayor número de nucleótidos (las letras del genoma).

“Cuanto más grande sea el genoma, mayor será el número de piezas y más tedioso será ordenarlas correctamente. Por esta razón, un genoma grande es más complejo de descifrar que uno pequeño. Y la correlación no es lineal sino exponencial”, declara a SINC Schartl.

Nadie sabe por qué muchos genomas tienen un tamaño medio comparable a su tamaño, otros se compactan hasta alcanzar un tamaño miniaturizado y otros se expanden hasta alcanzar un tamaño gigantesco

Manfred Schartl, Universidad de Würzburg

El equipo de investigación logró secuenciar completamente el genoma del pez pulmonado sudamericano y el de un miembro del linaje africano. La secuencia genómica más grande del pez pulmonado australiano (Neoceratodus) ya había sido secuenciada por el mismo equipo y los resultados de esta última investigación se publican en la revista Nature.

“Nadie sabe por qué muchos genomas tienen un tamaño medio comparable a su tamaño, otros se compactan hasta alcanzar un tamaño miniaturizado y otros se expanden hasta alcanzar un tamaño gigantesco. Hemos encontrado un mecanismo sobre cómo puede crecer el genoma, pero cuál es la razón biológica y el significado evolutivo, no lo sabemos (ni hay una buena hipótesis en la literatura científica)”, explica el bioquímico alemán.

El por qué de su gran tamaño

Según la investigación, el genoma del pez pulmonado sudafricano creció enormemente debido a la expansión de los llamados transposones ocultos en el genoma entre los genes e incluso dentro de ellos.

“Estos transposones son segmentos de ADN que producen muchas copias de sí mismos, cambian su posición en el genoma y pueden multiplicarse -al menos teóricamente- de forma indefinida, lo que a su vez hace crecer el genoma. Normalmente existe una maquinaria celular que controla la expansión de los transposones, pero en los genomas del pez pulmonado esta es defectuosa. Así, la expansión ilimitada de los transposones hace que los genomas crezcan a gran velocidad”, subraya el científico.

Normalmente existe una maquinaria celular que controla la expansión de los transposones, pero en los genomas del pez pulmonado esta es defectuosa

Manfred Schartl

Con más de 90 gigabases (en otras palabras, 90 mil millones de bases), el ADN de esta especie es el más grande de todos los genomas animales y más del doble de grande que el genoma del poseedor del récord anterior, el pez pulmonado australiano.

“Dieciocho de los diecinueve cromosomas de este animal son individualmente más grandes que todo el genoma humano, con sus casi 3.000 millones de bases”, asegura Meyer.

Los transposones autónomos son responsables de que el genoma del pez pulmonado se haya inflado hasta alanzar este enorme tamaño con el tiempo.

Dieciocho de los diecinueve cromosomas de este animal son individualmente más grandes que todo el genoma humano, con sus casi 3.000 millones de bases

Axel Meyer, Universidad de Konstanz

Aunque esto también ocurre en otros organismos, los análisis de este equipo mostraron que la tasa de expansión del genoma del pez pulmonado sudamericano es, con mucho, la más rápida registrada: cada 10 millones de años en el pasado, su genoma ha crecido en el tamaño de todo el genoma humano. “Y sigue creciendo”, puntualiza Meyer.

Enorme pero estable

Durante la evolución a menudo se intercambian piezas entre cromosomas (translocaciones) o cambian incluso de posición en el mismo cromosoma. Esto hace que la estructura bruta de los cromosomas sea muy divergente incluso entre especies estrechamente emparentadas en algunos casos, y generalmente en comparación con su último ancestro más común.

Se ha responsabilizado a los transposones de esta ‘inestabilidad genómica evolutiva’. “Esperábamos que los cromosomas del pez pulmonado tuvieran un aspecto muy diferente entre las tres especies, y aún más en comparación con el último ancestro que comparten con los vertebrados terrestres, incluido el ser humano. Sorprendentemente, los cromosomas son estructuralmente muy similares y nos permitieron incluso reconstruir los del último ancestro común de los peces pulmonados y los vertebrados terrestres que vivieron hace cientos de millones de años”, recalca Schartl.

Esperábamos que los cromosomas del pez pulmonado tuvieran un aspecto muy diferente entre las tres especies, pero no es así

Manfred Schartl

Debido a que los transposones se replican y saltan en el genoma, contribuyendo así a su crecimiento, pueden alterar y desestabilizar en gran medida el material genético de un organismo. Esto no siempre es perjudicial, e incluso puede ser un importante impulsor de la evolución, ya que estos ‘genes saltarines’ a veces también causan innovaciones evolutivas al alterar las funciones de los genes.

El genoma del pez pulmonado es inesperadamente estable y la disposición de los genes es sorprendentemente conservadora.

Puesta en común de los tres linajes

La comparación de los genomas de los peces pulmonados actuales les ha permitido sacar conclusiones sobre las bases genéticas de las diferencias entre ellos.

Por ejemplo, el pez pulmonado australiano todavía tiene las aletas en forma de extremidades que alguna vez permitieron a sus parientes moverse en tierra. En las otras especies actuales de peces pulmonados de África y América del Sur, estas aletas, que son similares en estructura ósea a nuestros brazos, evolucionaron de nuevo a aletas filamentosas en los últimos 100 millones de años más o menos.

También utilizamos experimentos con ratones transgénicos CRISPR-Cas para demostrar que esta simplificación de las aletas es atribuible a un cambio en lo que se conoce como la vía de señalización Shh

Axel Meyer

“En nuestra investigación, también utilizamos experimentos con ratones transgénicos CRISPR-Cas para demostrar que esta simplificación de las aletas es atribuible a un cambio en lo que se conoce como la vía de señalización Shh”, indica el científico de la Universidad de Konstanz.

La vía de señalización shh es un mecanismo genético de comunicación celular que se activa en las extremidades embrionarias de los animales terrestres para fabricar sus dedos. Por ejemplo, si esta vía se interrumpe experimentalmente, los embriones de ratón pierden los dedos.

Aletas precursoras de los dedos

“Hace tiempo que no está claro si los elementos exteriores de las aletas (radiales) presentes ancestralmente en las aletas de peces como el pez pulmonado australiano son, de hecho, los precursores evolutivos de los dedos. Hacer el mismo experimento en el pez pulmonado australiano, es decir, eliminar la vía shh y ver si desaparecen las radiales (lo que demostraría que están hechas de la misma manera que los dedos) no es técnicamente posible”, aclara Schartl.

Sin embargo, los peces pulmonados africanos y sudamericanos han perdido de forma natural las radiales de sus aletas. Al comparar los genomas de los tres peces pulmonados, descubrieron que los interruptores genéticos de shh son muy diferentes en los peces pulmonados sudamericanos y africanos.

Probamos estos interruptores en embriones de ratones transgénicos y pudimos demostrar que ya no funcionan para activar shh

Manfred Schartl

“Probamos estos interruptores en embriones de ratones transgénicos y pudimos demostrar que ya no funcionan para activar shh (pero aún lo hacen en el pez pulmonado australiano que conserva las radiales). Por lo tanto, al identificar los mecanismos evolutivos por los que los peces pulmonados sudamericanos y africanos han perdido los radiales de las aletas, pudimos demostrar que éstos se fabrican mediante el mismo mecanismo genético que en el ratón”, asegura el científico.

Esto demuestra que estos elementos están relacionados evolutivamente y que los radios de las aletas se convirtieron en dedos durante la transición de aletas a extremidades hace unos 380 millones de años.

Estas secuencias completas del genoma de todas las familias actuales de peces pulmonados permitirán más estudios genómicos comparativos. Un camino para conocer más a nuestros antepasados de aletas lobuladas y para resolver el misterio de cómo los vertebrados llegaron a la tierra.

Referencia:

Manfred Schartl et al. “The genomes of all lungfish inform on genome expansion and tetrapod evolution”. Nature